BFT-Store: Storage Partition for Permissioned Blockchain via Erasure Coding

说明：只需要保证编码encoding阶段的BFT过程，保证n-2f诚实节点确定存储了对应区块即可。解码和恢复根据区块的正确性正常操作即可。

Abstract

在拜占庭节点存在情况下，使用纠删码对许可区块链进行存储分区。整合BFT共识和EC，对区块进行编码，实现存储的可扩展性。

另外，需要一种在线重新编码协议来支持存储扩展（更多节点加入），实现了混合副本方案来提高读取性能。

一个显著的好处就是：将每个区块的存储复杂度降低为O(1)常数级别，节点的存储扩展性提高（存储更多区块）

针对BFT（以PBFT n=3f+1为例）环境下编码的挑战：

  1. 设计(2f+1，f)-RS编码，怎么保证2f+1个诚实节点保留了正确的子块；因为对于一个区块达成一致性：是节点收到了2f+1个提交确认；这只能保证保证至少f+1个诚实节点会提交对应的区块（f个恶意节点的存在）
  • 解决：放低编码要求，设计(f+1, 2f)或者(n-2f, 2f)-RS编码

  1. 怎样支持新加入节点的灵活扩展；需要重新分布现有的数据，历史区块需要在所有的节点之间重新编码。（因为n-f的关系已经改变了）。需要保证诚实节点在敌对环境中完成重新编码。

  2. 提高读取性能，相对于全副本方案，分区编码的读取性能会大幅降低由于节点解码的数据交换

贡献

  • 设计了BFT-Store，降低区块的存储复杂度从O(n)—>O(1)
  • 两点关键性设计：
    • 扩展性：4阶段重新编码协议（基于PBFT），保证所有区块的可用性
    • 加速读取性能：多副本方案保证区块的高效访问
  • 嵌入BFT-Store到Tendermint实验，存储扩展性，区块的可用性，有效性

可用性：每个区块对于所有的诚实节点都是可用的，不会丢失
扩展性：每个区块的存储复杂度是常数(EC后使用c个副本)，系统的存储能力随着节点数量n增加而增加
有效性：对比全副本方式，读取性能降低应该尽可能小

设计和思路

设计(n-2f, 2f)-RS编码

整个对一次编码/操作，达成共识，只能保证至少n-2f个诚实节点提交了block

问题：

  • 每个节点是分开独立编码吗？感觉开销会很大
  • 每个节点可以完成不同的过程，例如存储不同的区块，但是可以验证是正确的-hash（PBFT中）
  • 如果出现故障的节点怎么去恢复其块呢？根据解码原理来处理吗—需要保证系统的可持续运行，区块可用就一定可以在故障解决后的节点上进行存储

编码和读取

每个编码轮次R中，每个节点独立编码n-2f个区块成n个区块（2f个校验块）；每个节点只会保留其中一个区块。

这样每个节点只会保留一个编码轮次中一的一个编码块，如果其中出现恶意节点，就需要重新解码？开销大，其概率为 \(1-P_r(B)=f/n \approx 1/r\)

因此，使用多副本策略来降低该概率，使用c副本，每个编码块放置到不同的c个节点上，不可达的概率（直接获取得到）：

并且每个区块的存储开销是常数复杂度。假设区块大小为T，为 \(\frac{cnT}{n-2f} \approx \frac{crT}{r-2}\) ，其中1/r是恶意节点的比例。

注意的是：在不可信的环境下，每个节点是独立编码的，每个节点需要独立地计算出自己需要存储的c个区块/编码块(n*c/n=c)。并且需要达成全局的一致可验证性

  • 使用节点的公钥排序，作为全局的同一节点顺序
  • 每个节点i使用编码块哈希值作为seed生成c个0～n-1个随机值A（每个节点相同），根据自己节点序号来生成不同的需要存储的c个区块序号 \(A+ i = \{ a_j+ i\ \mod \ n : 1 ≤ j ≤ c \}\)

每个节点存储的chunks/编码块集合都是可以被其他节点验证的；这种方法保证了不同诚实节点存储的c个编码块集合不同，保证至少的n-2f个节点足够恢复出所有的区块。（有不同的n-2f个区块），如下：

读取

  1. 及时在Nt(Bt)获取到了区块，直接返回
  2. 不能及时获取，启动解码过程，选择任意n-f节点（保证至少有n-2f个正确区块），节点返回在该编码轮次中的对应存储的区块集合(一个好像就可以)

问题：

  1. 怎么保证读取的块是正确的？（签名—多数）
  2. 发送的请求块消息〈 BLOCK, h, e, s 〉中元数据是怎么得到的？模式s和轮次e（每个节点都会存储）

块迁移和重新编码

主要考虑新加入节点导致的编码模式的改变，需要将历史区块重新编码和分布到所有的节点。分为4个阶段：

可以不迁移旧区块吗？
r不变时，新加入节点导入n’和f’变化，以及需要利用新节点存储空间，需要重新编码和分布

  1. leader发送解码信息，请求旧的数据块

  2. 备份节点发送chunk-set消息，给leader节点

  3. leader发送重新编码消息〈 RE_ENCODE, B, V, s + 1, e 〉。先恢复all original blocks B，然后发送重新编码消息

  4. 备份节点发送编码完成消息给leader。根据数据块完成编码后存储chunk set后发送〈 CODE_FINISH, e, s + 1 〉消息

注意：

  • 前一轮次的重新编码完成后（n’-f’）开始下一轮次的编码

Papers

  1. BFT-Store: Storage Partition for Permissioned Blockchain via Erasure Coding
posted @ 2021-12-03 15:55  qxxiao  阅读(116)  评论(0)    收藏  举报